bài giảng địa vật lý phương pháp thăm dò phóng xạ

5.3 Cơ sở địa chất của phương pháp phóng xạ5.3.1 Sự phân bố các nguyên tố phóng xạ trong đất đá, trong nước và không khí5.3.2 Các tiền đề giải quyết các nhiệm vụ địa chất không phóng xạ.

THĂM DÒ PHÓNG XẠ

5.3 Cơ sở địa chất của phương pháp phóng xạ

5.3.1 Sự phân bố các nguyên tố phóng xạ trong đất đá,

trong nước và không khí5.3.2 Các tiền đề giải quyết các nhiệm vụ địa chất không phóng xạ

Nội dung (tiếp)

5.5.5 Phương pháp thủy địa hóa phóng xạ

5.5.6 Phương pháp detector vết alpha

5.6 Ứng dụng của phương pháp phóng xạ

5.1 Giới thiệu

• PP thăm dò phóng xạ (PX) là PP ĐVL nghiên cứu

trường PX tự nhiên của đất đá hoặc nghiên cứu quá trình tương tác giữa bức xạ PX nhân tạo với hạt

nhân nguyên tử của các nguyên tố tạo đá nhằm giải quyết các nhiệm vụ địa chất khác nhau.

• PP PX được tiến hành trên mặt đất, trong GK, trên biển và cả trên không (trên máy bay).

5.2 Cơ sở vật lý của phương pháp

5.2.1 Cấu trúc của vật chất

X - Nguyên tố

Z - Số thứ tự nguyên tử

A - Khối lượng nguyên tử

số proton=số điện tử =Z; số notron= A-Z

• Những nguyên tố có hạt nhân không bền vững, tự bị phân rã và biến đổi trạng thái năng lượng ban đầu về trạng thái năng lượng thấp hơn (bền vững hơn) được gọi là các nguyên tố phóng xạ.

• Các nguyên tố phóng xạ tự nhiên có hạt nhân không ổn định (Z>83) tạo thành 3 dãy phóng xạ Uran, Thori, và Actini

• Các nguyên tố có cùng số Z và khác nhau số A gọi là các chất đồng vị phóng xạ

biến đổi thành hạt nhân

nguyên tử của nguyên tố

khác, chuyển trạng thái

năng lượng ban đầu về

trạng thái năng lượng

• Phân rã 

ZXA  (Z-2)Y(A-4) + 2He4

94Pu240  92U236 + 2He4

Bức xạ :

- là dòng hạt nhân nguyên tử Heli mang điện dương

- năng lượng của hạt  khi tách khỏi hạt nhân rất lớn (8 – 10 MeV)

- tốc độ chuyển động của hạt  nằm trong khoảng 1,42.109 cm/s đến 2,5.109 cm/s.

- khả năng ion hoá rất mạnh vì vậy tốc độ giảm rất nhanh và khả

năng đâm xuyên yếu

www.mwit.ac.th/ /applet_04/atom2/Kern2e.htm

• Đặc điểm của bức xạ : tia  có khả

năng ion hoá chất khí nhưng kém hơn

so với bức xạ , riêng khả năng đâm

• Bức xạ gama ()

– Bức xạ gama là bức xạ điện từ, tần số cao, nó vừa có tính chất

sóng, vừa có tính chất hạt, không mang điện và không có khối

lượng khi đứng yên

– Năng lượng của bức xạ gama thay đổi phụ thuộc hạt nhân của các nguyên tố khác nhau (0,05  3Mev)

– Đặc điểm của bức xạ gama: Bức xạ gama có khả năng ion hoá rất kém nhưng khả năng đâm xuyên rất lớn

http://www.mwit.ac.th/~Physicslab/applet_04/atom2/Kern2e.htm

5.3.3 Quy luật phân rã phóng xạ- Dãy phóng xạ

a Quy luật phân rã phóng xạ

• Quy luật phân rã phóng xạ không phụ thuộc vào các điều kiện khách quan bên ngoài.

• Trong quá trình phân rã phóng xạ, số lượng nguyên tử của

nguyên tố giảm dần theo quy luật nhất định.

• Số nguyên tử bị phân rã dN trong khoảng thời gian t đến t+dt tỉ lệ với số nguyên tử N tại thời điểm t và khoảng thời gian phân rã dt.

• Dạng vi phân của định luật phân rã phóng xạ

N

dt N

dN

0

0

 Số lượng nguyên tử của các nguyên tố phóng xạ suy giảm theo qui luật hàm mũ

 Qui luật phân rã phóng xạ phụ thuộc vào hằng số phân rã () Đặc trưng cho xác suất phân rã của một nguyên tử của một

nguyên tố trong một đơn vị thời gian.

 Thời gian sống trung bình của một nguyên tử là đại lượng tỉ lệ nghịch với hằng số phân rã

234 Th 24.1 ng

234 Pa 1.14 ph 6.7 h

234 U 2.510 5 na

230 Th 7.510 4 na

226 Ra

1602 na

222 Rn 3.8 ng

218 Po 3.0 ph

214 Pb 26.8 ph



214 Bi 19.7 ph



214 Po 1.6.10 -4 s

210 Pb 22.3 na

210 Bi

5 ng

210 Po 138.4 ng

206 Pb Bền

228 Ra 6.7 na

228 Ac 6.13 h



Phân rã  Phân rã 

228 Th 1.9 na

224 Ra 3.64 ng

220 Rn 54.5 s

216 Po 0.15 s

212 Pb 10.6 h



208 Tl 3.1ph



212 Bi 60.6 ph

212 Po 3.10 -7 s

208 Pb Bền

235 U 7.110 8 na

231 Th 25.5 h

231 Pa 3.2510 4 na

227 Ac 2.18 na

227 Th 18.2 ng

223 Ra 11.4 ng

219 Rn 3.96 s

215 Po 1.8 10 -7 s

211 Pb 36.1 ph

211 Bi 2.14 ph

207 Tl 4.74 ph

211 Po 0.52 s

207 Pb Bền

Sự phân rã phóng xạ trong cả 3 dãy có những tính chất

chung như sau:

 Các nguyên tố đứng đầu mỗi dãy là các nguyên tố nặng, có

 Ở khoảng giữa của mỗi dãy đều có các chất phóng xạ thể

khí như Radon (Rn) Thoron (Tn), Atinon (An)

 Cuối mỗi dãy là các chất bền vững không phóng xạ, đó là

CLAUDE J ALLE`GRE, 2008

5.2.4 Sự cân bằng phóng xạ

• 1>2…>i…>n tốc độ phân rã của nguyên tố mẹ ban đầu nhanh hơn

so với các nguyên tố con tiếp theo  đến một lúc nào đó chỉ còn

nguyên tố con

• 1<2…<i…<n thì tốc độ phân rã của các nguyên tố mẹ chậm hơn nguyên tố con nên chúng cùng tồn tại

• 1<<2…<<i…<<n thì trong quá trình biến đổi sẽ xảy ra trường hợp

số nguyên tử bị phân rã đúng bằng số nguyên tử được tạo thành,

người ta gọi đó là sự cân bằng phóng xạ

 hạt  cũng có thể gây ra phản ứng hạt nhân và sinh ra notron.

• Tương tác của 

Khi hạt  đi qua vật chất có thể gây ra hiện tượng ion hoá, kích thích tán xạ và bức xạ hãm

khiến cho hành trình chuyển động của hạt  lớn hơn

so quãng đường xuyên qua

ngột, một phần động năng được bức xạ dưới dạng bức xạ điện từ.

Nguyên tử

Trường hạt nhân

Hạt nhân

Electron liên kết

Electron

tự do

 Hiệu ứng quang điện

Khi tia  có năng lượng thấp đi vào môi trường vật chất thì chúng tương tác với các điện tử và truyền toàn bộ năng lượng cho các điện

tử Các điện tử bị tách ra khỏi nguyên tử tạo thành quang điện tử, còn bức xạ  thì bị hấp thụ hoàn toàn

 Hiệu ứng compton

Khi năng lượng của bức xạ  tăng lên, sau khi va chạm bức xạ 

truyền một phần năng lượng cho điện tử, điện tử bị bắn ra khỏi

nguyên tử với một góc đổ nhất định gọi là điện tử compton còn bức

xạ  bị giảm năng lượng và chuyển động theo góc tán xạ khác

 Hiệu ứng tạo cặp

Khi bức xạ  có năng lượng cao (E>1,02 MeV) chúng tương tác với hạt nhân nguyên tử của vật chất, bị mất hoàn toàn năng lượng, từ hạt nhân bắn ra một cặp gồm một điện tử (e_) và một pozitron (e+)

• Tương tác của Notron

Notron là các hạt không mang điện, có khối lượng bằng 1

và có khả năng đâm xuyên lớn Khi hạt Notron tương tác với vật chất, tuỳ vào mức năng lượng của chúng mà có thể phân chia ra các loại nơtron sau:

 Notron nhanh có E > 0,5 MeV

 Notron trung gian có 1KeV< E < 0,5 MeV

 Notron chậm có E < 1KeV

 Notron nhiệt có E < 1KeV

Khi Notron tương tác với môi trường vật chất

thường xảy ra các hiện tượng tán xạ đàn hồi, tán

xạ không đàn hồi và phản ứng bắt giữ (hấp thụ).

Khi tán xạ đàn hồi, notron truyền một phần năng lượng của mình cho hạt nhân nguyên tử tạo thành hạt nhân giật lùi.

Khi tán xạ không đàn hồi, notron bị mất năng

lượng rất nhiều, chúng kích thích hạt nhân nguyên

tử, sau đó có thể phát xạ notron hoặc lượng tử.

5.2.6 Đơn vị đo phóng xạ

• Đơn vị đo hoạt độ phóng xạ

Đo số lượng phân rã trong một đơn vị thời gian

 Curie (viết tắt là Ci), đó là hoạt độ phóng xạ xẩy ra 3,7 1010 phân rã

trong một giây

Ngoài ra còn dùng các đơn vị nhỏ hơn như: mili Curie (mCi) 1mCi=10

-3Ci; micro Curie (Ci) 1Ci=10-6Ci

 Becquerel (Bq) là hoạt tính phóng xạ xảy ra 1 phân rã trong 1 giây Như vậy, 1Ci=3,7.1010Bq

• Đơn vị đo nồng độ

Để đo nồng độ phóng xạ là hoạt độ phóng xạ của một lít chất đó:

Ci/l hoặc Bq/l Ngoài ra còn dùng đơn vị Eman (E), 1 Eman=3,7 phân rã/giây.lít

• Đơn vị đo liều chiếu và suất liều chiếu

Đơn vị liều chiếu dùng để đánh giá tác dụng của bức

xạ gama () lên môi trường vật chất bị chiếu

 Đơn vị đo liều chiếu thường dùng là Culong trên

kilogam (C/kg) đó là liều chiếu sao cho dưới tác

dụng của liều chiếu ấy, trong 1kg không khí tổng các điện tích của tất cả các ion cùng dấu do nó tạo ra

 Rơnghen (R) 1 Ronghen tương ứng với sự hấp thụ

căp ion

 Mối quan hệ giữa C/kg và Rơnghen như sau: 1R =

• Đơn vị đo công suất liều chiếu: liều chiếu trong 1 đơn vị thời gian như: Culong trên kilogam giờ

(C/kg.h) Culong trên kilogam giây (C/kg.s)

Ronghen trên giờ (R/h); micro Rơnghen trên giờ (MR/h)

• Đơn vị đo liều hấp thụ dùng để đo năng lượng bức

xạ bị hấp thụ trong 1 khối lượng đơn vị vật chất, trước đây thường dùng đơn vị Rad, hiện nay dùng Grei(Gy).

5.3 Cơ sở địa chất của phương pháp phóng xạ

5.3.1 Sự phân bố các nguyên tố phóng xạ trong đất đá trong nước và không khí

a Đá magma

• Các nguyên tố Uran, Thori phân bố phổ biến trong các đá magma dạng xâm tán Phần lớn Uran nằm trong khoáng sàng có nguồn gốc

nhiệt dịch, còn Thori chủ yếu nằm trong các mạch pecmatit

• Các thể magma xâm nhập nhỏ và trẻ có tính phóng xạ cao, ở các vùng tiếp xúc, đai cơ, những đới biến đổi nhiệt dịch, đới cà nát đứt gãy… thường có nồng độ các nguyên tố phóng xạ cao

Tính axit

Hàm lượng các nguyên tố phóng xạ

b Đá trầm tích

• Đá phiến sét, sét có tính phóng xạ cao hơn cả Các loại trầm tích

thuỷ hoá như Cacbonat, than, cát, thạch anh…có tính phóng xạ yếu Cát kết có hàm lượng phóng xạ thay đổi trong một phạm vi rộng

• Do đặc điểm địa hoá của Uran và Thori khác nhau nên Uran thường tập trung trong đá sét còn Thori tập trung trong cát kết Uran dễ hoà tan nên thường bị vận chuyển đến tập trung ở khoáng sàng trầm tích còn Thori không hoà tan nên nó tập trung trong các sa khoáng

c Đá biến chất

Qui luật phân bố các nguyên tố phóng xạ trong đá biến chất khá

phức tạp, phụ thuộc vào thành phần của đất đá trước khi biến chất và mức độ biến chất

d Tính phóng xạ của lớp đất trồng

Nồng độ các nguyên tố phóng xạ trong lớp đất trồng phụ

thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: bản chất đá gốc bị phong hoá, tính chất nứt nẻ, hình dạng địa hình, điều kiện tự nhiên và khí hậu…

Trong lớp đất trồng ở gần khu vực có mỏ phóng xạ U, Th, K thường phát hiện các vành phân tán phóng xạ.

e Tính phóng xạ của nước

 Trong nước nói chung có hàm lượng phóng xạ thấp.

 Đối với các loại nước trên mặt như nước sông, hồ (trừ sông chảy qua khoáng sàng phóng xạ) có tính phóng xạ yếu Thực tế nước trên mặt có độ phóng xạ nhỏ hơn

hàng ngàn lần so với đất đá.

 Trong một số điều kiện địa chất nhất định mới phát

hiện được nước có tính phóng xạ Tuỳ thuộc loại

nguyên tố phóng xạ nào có nhiều trong nước mà có thể chia ra đó là loại nước Radon, nước Uran hay nước

Radi.

g Tính phóng xạ của không khí

 Các nguyên tố phóng xạ ở thể khí như Radon (Rn), Thoron (Tn), Actinon (An) … được tạo ra từ quặng gốc sẽ khuếch tán vào lớp đất trồng và sau đó tiếp tục khuếch tán vào

không khí tạo ra những vành phân tán khí phóng xạ

 Quá trình phân tán các nguyên tố phóng xạ ở thể khí vào

không khí phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, áp suất, nhiệt độ

và khả năng thoát hơi của đất đá

 Các vành phân tán khí phóng xạ có hình dạng, kích thước rất khác nhau tuỳ thuộc vào bản chất và quy mô của quặng gốc, cũng như đặc điểm của lớp đất trồng Thường vành

phân tán của khí Rn có quy mô phân bố lớn hơn khí An và

Tn do chúng có thời gian sống lâu hơn.

5.3.2 Các tiền đề giải quyết các nhiệm vụ địa chất

 Các thể địa chất có hàm lượng phóng xạ khác nhau, xác định hàm

lượng phóng xạ của chúng là cơ sở để vẽ bản đồ địa chất

 Xác định tuổi địa chất của đất đá trên cơ sở hàm lượng các nguyên tố phóng xạ biến đổi theo thời gian

 Sử dụng tương tác bức xạ phóng xạ với hạt nhân các nguyên tố tạo đá

để xác định thành phần vật chất của đất đá

5.5 Các phương pháp đo phóng xạ

5.5.1 Phương pháp đo mẫu phóng xạ

 Nhằm xác định hàm lượng các nguyên tố phóng xạ trong các mẫu đất đá và quặng

 Nguyên tắc chung của phương pháp này là so sánh độ phóng xạ của các mẫu với mẫu chuẩn đã biết trước

hàm lượng

5.5.2 Phương pháp gamma tổng

a Phương pháp đo gamma hàng không

• Phương pháp này được tiến hành bằng các máy đo có độ nhạy cao

và quán tính nhỏ đặt trên máy bay

• Cường độ bức xạ  thu được phụ thuộc vào hàm lượng và thành phần các nguyên tố phóng xạ trong đất đá, vào chiều dày lớp phủ, vào chiều cao bay và hình dạng của địa hình

• Các tuyến bay được bố trí vuông góc với phương trải của đối tượng khảo sát Cường độ bức xạ  được ghi liên tục trong khi bay

 Khi phân tích tài liệu cần hiệu chỉnh kết quả đo đạc về coi như đo trên mặt đất (h=0), sau đó tiến hành thành lập bản đồ đẳng trị  Để xác định các vùng có dị thường cần phải kiểm tra bằng các phương pháp đo phóng xạ trên mặt đất

b Phương pháp đo gamma mặt đất

• Đo bức xạ gamma tổng để nghiên cứu chi tiết các đối tượng nằm nông hoặc nghiên cứu môi trường.

• Phương pháp này áp dụng có hiệu quả ở vùng đá lộ hoặc có lớp phủ mỏng (<1m), nếu lớp phủ dày thì chỉ đo ở các vết lộ sông, suối, thung lũng…

• Từ các số liệu đo đạc tiến hành

xử lý và biểu diễn kết quả.

– Sơ đồ cường độ bức xạ gamma I

– Bản đồ đồ thị cường độ bức xạ gamma theo tuyến hay theo lộ trình địa chất

– Thiết đồ đẳng trị  tại các vách, đáy hào

– Lập bảng phân tích mẫu theo U,

Th, K…

– Cuối cùng là tiến hành giải thích các kết quả

5.5.3 Phương pháp phổ gamma

• Đo phổ  thường chọn 3 cửa sổ và đặt tên các nguyên tố trội nhất trong khoảng năng lượng đó cho mỗi cửa sổ: – Cửa sổ Kali: E=1,35 - 1,55 MeV

– Cửa sổ Uran: E=1,65 - 1,85 MeV

– Cửa sổ Thori: E= 2,40 - 2,80 MeV.

http://pubs.usgs.gov/of/2005/137 1/html/gamdata.htm

• Căn cứ nhiệm vụ và đặc điểm cấu trúc địa chất mà có thể đo phổ gamma theo lộ trình, đo theo diện tích, đo

theo tuyến hoặc đo trong các công trình khai đào ở vùng triển vọng có lớp phủ dày Độ mau thưa của điểm đo

phụ thuộc vào yêu cầu, nhiệm vụ cũng như tỷ lệ bản đồ cần khảo sát.

• Kết quả đo đạc được biểu diễn dưới dạng các sơ đồ, đồ thị, bản đồ đẳng trị hàm lượng các nguyên tố U , Th , K

Dị thường Uran được thể hiện bằng màu đỏ, Thori được thể hiện bằng màu xanh và Kali màu vàng

• Dị thường phổ  được chia thành 3 loại.

– Dị thường mạnh: biên độ lớn hơn hoặc bằng ba lần giá trị phông trung bình.

– Dị thường trung bình: biên độ bằng 2 -3 lần giá trị phông.

– Dị thường yếu: biên độ xấp xỉ phông.

5.5.4 Phương pháp đo khí phóng xạ

• PP đo khí phóng xạ được

gọi là phương pháp Eman

Đây là PP đo tức thời nồng

1- ống hút; 2- bộ hút ẩm 3- buồng eman; 4- thiết bị đo 5- bơm; 6- van thải khí

• PP này có ưu điểm hơn PP gamma là có thể phát hiện

được quặng phóng xạ nằm ở sâu hơn.

• Đối tượng đo khí phóng xạ là đo bức xạ  của Radon

(dãy Uran – Radi), và Thoron (dãy Thori) Radon có chu

kỳ bán rã 3.8 ngày, nên có thể lan truyền xa đối tượng hàng chục mét, Thoron có chu kỳ bán rã 54,5s nên

thường không đi xa khỏi đối tượng.

• Trên cơ sở đo cần tính nồng độ chất khí phóng xạ, tính phông, sai số đo và xác định các dị thường Các kết quả được biểu diễn dưới dạng các đồ thị theo tuyến, bản đồ

đồ thị, bản đồ đẳng trị.

5.5.5 Phương pháp thủy địa hóa phóng xạ

• Trong tự nhiên cả nước trên mặt và dưới đất đều có thể chứa Uran với hàm lượng khác nhau từ 10-8 đến

10-12 g/l Các nguồn nước ngầm chảy qua các vùng có quặng phóng xạ có hàm lượng chất phóng xạ khá cao,

• Trong các vùng nghiên cứu cần lấy mẫu nước ở các nguồn

khác nhau như sông, suối, giếng, giếng khoan, đới vỡ vụn… Mặt khác, do hàm lượng các nguyên tố phóng xạ thay đổi theo mùa trong năm nên cần chọn các mẫu nước ở trong cùng một mùa và theo dõi sự thay đổi của chúng theo thời gian Các mẫu nước cần được xác định hàm lượng Uran, Radon Khi phát

hiện vùng có hàm lượng U, Rn lớn thì cần phân tích cả hàm lượng Ra vì thường Ra bị phân rã khá nhanh.

• Để xác định bất thường phóng xạ cần xác định hàm lượng bình

thường của Uran gọi là “Phông thuỷ địa hoá tự nhiên”

Phông tự nhiên này thay đổi ở các vùng khác nhau với các

điều kiện khác nhau Khi phát hiện được các bất thường phóng

xạ thì cần tìm hiểu nguyên nhân và điều kiện xuất hiện chúng